Вертикальные одноэлектронные приборы на основе сэндвичевых структур

Одним из возможных путей реализации одноэлектронных приборов является применение многослойных структур, выращенных при помощи молекулярнолучевой эпитаксии. Поскольку МЛЭ позволяет выращивать слои с точностью до одного монослоя, то для формирования квантовых точек их остается ограничить в двух других измерениях для получения объектов необходимых размеров.

После выращивания двухбарьерной структуры на поверхность наносились верхние контакты диаметром d = 0.3, 0.4, 0.5 и 0.7 мкм. Затем, используя верхний контакт в качестве маски, стравливался слой 3000 А и наносился затворный контакт. Расстояние от затвора до двухбарьерной структуры составляло 500 А. Подача на затвор отрицательного напряжения создает области обеднения, которые ограничивают квантовую яму между двумя барьерами. Таким образом, данная конструкция представляет собой вертикальный управляемый прибор на одной индуцированной точке.

При отсутствии напряжения на затворе такая структура ведет себя как резонансно-туннельный диод, а при отрицательном напряжении на затворе, т. е. при формировании квантовой точки, отчетливо видна кулоновская блокада.

Интерес представляют вертикальные одноэлектронные транзисторы, в которых используются самоорганизующиеся квантовые точки. Механизм образования таких точек состоит в следующем. При молекулярно-лучевой эпитаксии кристаллического вещества, имеющего некоторое рассогласование постоянной решетки с подложкой, пленка сначала растет напряженной псевдоморфной, а затем разрывается на отдельные островки нанометровых размеров, которые и используются в качестве квантовых точек. Безусловно, этот процесс с точки зрения технологии абсолютно не готов к промышленному воспроизведению, как и практически все явления одноэлектроники.

Рис. 11.7. Схематическая диаграмма субмикронного вертикального одноэлектронного транзистора. 1 - исток, 2 - обедненная область

Приборы на основе массивов квантовых точек

Технология создания массивов квантовых точек включает в себя следующие операции. На поверхности AlGaAs/GaAs структуры с двумерным электронным газом, залегающим на глубине 77 нм, с помощью электронной литографии создаются крестообразные точки с периодом 0.8 мкм, промежутки между которыми протравливались на 80 нм, т. е. глубже залегания двухмерного электронного газа. Весь массив состоял из 200x200 точек, сверху на него накладывался Cr/Au затвор. Таким образом вся структура представляет собой управляемый планарный двумерный прибор на постоянных квантовых точках.

В последнее время появилась тенденция              к              использованию

хаотических двумерных массивов квантовых точек. Наилучшими характеристиками для цифрового применения будут обладать приборы, основанные на цепочках кулоновских островков. Однако изготовить ровную цепочку из достаточно малых точек на данном этапе развития нанотехнологии не представляется возможным, но между электродами можно создать неупорядоченный двумерный массив самоорганизующихся квантовых точек, в которых туннелирование будет происходить по наиболее энергетически выгодному пути, соответствующему некоторой цепочке квантовых точек. Недостаток заключается в возможности существования нескольких таких цепочек.

К этим конструкциям можно отнести прибор на самообразующихся InAs квантовых точках, находящихся в GaAs, на поверхность которого осаждалось 2.5 монослоя InAs, который собирался в островки со средним диаметром 26 нм со стандартным отклонением 11 %, плотностью 8.7 х 10 островков/см . Высота островков составляла 5 нм. Среднее расстояние между центрами островков - 26 нм, т. е. при отклонении в большую сторону островки сливались.

Кремниевые одноэлектронные приборы

Кремниевый одноэлектронный транзистор, разработанный к настоящему времени и использующий эффект кулоновской блокады, может существовать как в электронном, так и в дырочном варианте. Схематично транзистор представлен на рис. 9.8, где 1 - исток; 2 - кремний; 3 - сток; 4 - захороненный оксид; 5 - кремниевая подложка. При создании транзистора в кремниевой подложке создается изолирующий слой путем имплантирования кислорода и затем при помощи электронной литографии и реактивного ионного травления формируется необходимый рисунок. После этого производится термическое подзатворное окисление, которое уменьшает размеры квантовой точки и увеличивает высоту потенциальных барьеров между точкой и контактами. Сверху наносится поликристаллический кремниевый затвор. Разница заключается в использовании n - Si для электронного и p- Si для дырочного транзистора. Таковые транзисторы являются управляемыми планарными приборами на одной постоянной квантовой точке. Эти транзисторы были первыми одноэлектронными приборами (кроме реализованных при помощи сканирующего туннельного микроскопа), работа которых была осуществлена при температурах выше 77 К.

Успехи в их разработке и исследовании привели к некоторым усовершенствованиям в их конструкции. По самосовмещенной технологии над каналом была изготовлена кремниевая точка. При помощи электронной литографии создавался

объект размерами от 25 нм, а затем окислялся до размеров 7 нм х 7 нм. Получалась так называемая "плавающая точка”, которая при зарядке одним или несколькими электронами изменяла напряжение отсечки транзистора. Точка заряжалась подачей на затвор 10 мс импульсов, причем при плавном увеличении напряжения импульса напряжение отсечки изменялось ступенчато с периодом 55 мВ, что говорит о зарядке точки отдельными электронами. Заряд на точке сохранялся в течение 5 с.

Все измерения проводились при комнатной температуре.

Приборы на основе структуры Al/AlxOy/Al.

В приборах такого типа используется возможность получения тонкого окисла алюминия и чаще всего применяется техника так называемого теневого испарения (shadow evaporation), последовательные стадии которой показаны на рис. 9. 9.

Рис. 11. 8. Схематическое изображение квантового одноэлектронного транзистора

На стадии (а) на трехслойный резист ПММА - Ge - ПММА наносится рисунок с помощью электронной литографии. На этой стадии основной сложностью является получение трехслойной резистной структуры, тем более что два слоя представляют собой органическую композицию (основа ПММА - полиметилметакрилат, выдерживающий температуру порядка 120 °С), а заключенный между ними

подслой - тонкая полупроводниковая пленка.              Стадии              (б)              -              (г)              это

последовательное травление трехслойного резиста. Стадия (д) - изотропное селективное травление нижнего слоя резиста ПММА с образованием висящих Ge мостиков. Стадия (е) - последовательно напыление алюминия под разными углами, после первого напыления алюминия алюминий окисляется и напыляется второй слой алюминия под другим углом так, чтобы тень от германиевого мостика находилась в другом месте. В месте перекрытия первого и второго слоя алюминия об-

Рис. 11 9. Схема процесса теневого испарения разуется туннельный контакт. На стадии (ж) удаляется оставшийся резист.

В настоящее время параллельно разрабатываются рассмотренные нами конструкции и масса других и пока трудно сказать, которые окажутся перспективными для промышленной технологии.

Применение одноэлектронных приборов

Основоположник одноэлектроники Лихарев еще в ранних работах предлагал использовать одноэлектронные приборы в качестве электрометров вследствие их высокой чувствительности к внешнему заряду. Кроме того совершенно явно на-

прашивается              использование одноэлектронных приборов в качестве

логических элементов цифровых интегральных схем, и именно эта область в настоящее время представляется важнейшей. На рис. 11.10 представлены инверторные схемы на одноэлектронных транзисторах с резистивным и емкостным входа-

Рис. 11. 10 Принципиальные схемы одноэлектронных инверторов: (а) - емкостного и

(б) - резистивного

ми.

Принцип работы таких инверторов заключается в следующем. Если входное напряжение Увх мало, т. е. соответствует логическому нулю, и недостаточно для преодоления кулоновской блокады, то ток через транзистор не протекает и выходное напряжение Увых соответствует логической единице. При увеличении входного напряжения до значения, снимающего кулоновскую блокаду (что соответствует логической единице), через транзистор начинает течь ток и потенциал Увых понижается до логического нуля. Расчет характеристик проводится не в аналитической форме, а с помощью метода Монте-Карло.

Результатом таких исследований является утверждение их авторов о том, что резистивная схема имеет более высокий коэффициент усиления по напряжению, большую стабильность рабочей точки и разделение входа - выхода, однако имет меньшую разницу логических уровней, чем емкостная схема.

Выходные сигналы осциллируют во времени из-за стохастического характера одноэлектронного туннелирования (термин стохастический является полным синонимом понятия вероятностный, но звучит не в пример более мозгоушибительно).

дуются исключительно в единичных экземплярах и говорить о широких

исследованиях преждевременно.

Развитием этих идей является одноэлектронный инвертор, использующий туннельный переход вместо истокового и стокового резисторов, как это показано на рис. 11. 11.

Принцип работы такой схемы заключается в следующем. Внутреннее состояние определяется зарядом, находящимся в точках А и В. Для схемы были вычислены области стабильности в зависимости от Увх Увых. При изменении входного напряжения схема переходит из одного стабильного домена в другой, при этом меняется зарядовое состояние и, следовательно, напряжение.

Коротков предложил одноэлектронную логику, основанную на цепочках кулоновских островков, помещенных в электрическое поле. Расстояние между Рис. 11. 11 Принципи- островками в коротких цепочках достаточно мало,

альная схема одноэлек- чтобы электрон мог быстро туннелировать с островка тронного инвертора с

на островок, если только он способен преодолеть ку- использованием              тун-              ^              ^ ^              J

нельного перехода вме- лоновскую блокаду, при приложении внешнего элек- сто истокового резисто- трического поля, создающего достаточную разность ра'              потенциалов между островками. Это поле загоняет

электрон в конец цепочки, т. е. поляризует ее. Поляризация одной короткой цепочки вызывает поляризацию соседней, хотя электроны между короткими цепочками не переходят из-за их значительной удаленности друг от друга.

С одной цепочки на другую передается только сигнал. Из подобных цепочек могут формироваться структуры, осуществляющие простые логические операции. Из простейших логических элементов могут быть составлены сложные вычислительные структуры. Для ввода сигнала в цепочку и его съема на выходе могут быть использованы одноэлектронные транзисторы. Проведены оценки энергопотребления для структуры с металлическими островками диаметром 2 нм на кварцевой подложке. При необходимой напряженности внешнего электрического поля 4х105 В/см, предполагаемой плотности 1012 островков/см2 и тактовой частоте 1 ГГц требуемая мощность составляет около 30 Вт/см. Однако на сегодняшний день реализация данной логики возможна лишь при помощи СТМ. При этом складывается парадоксальное положение. Одноэлектронный прибор имеет нанометровые размеры и вписывается в концепцию наноэлектроники, но для своего функционирования требует наличия сканирующего туннельного микроскопа, который хотя и имеет

небольшие размеры              (примерно              с трехлитровый термос по форме, но не

по существу), но явно не нанометровые. Но вера во всемогущество технического прогресса (но не социального) позволяет верующим в него питать различные необоснованные надежды.